21/04/2020
Door Ad Spijkers
Lange tijd konden keramische coatings alleen worden geproduceerd met sintertechnieken bij meer dan 1000°C. Een nieuw spuitproces, op aerosol gebaseerde koude depositie, maakt productie bij kamertemperatuur mogelijk.
De nieuwe techniek is ontwikkeld aan de Universität Bayreuth. Met koude afzetting op aerosolbasis (Powder Aerosol Deposition, PAD) kunnen dichte keramische lagen op uiteenlopende soorten materialen worden aangebracht, zoals staal, glas, silicium of zelfs kunststof. Hiervoor wordt eerst een droog keramisch poeder met behulp van een dragergas omgezet in een aerosol, dat wil zeggen een mengsel van gas en vaste deeltjes.
De aerosol wordt vervolgens in een vacuümkamer via een mondstuk versneld tot enkele honderden meters per seconde en op het te coaten materiaal gericht. De kleine keramische deeltjes breken bij impact. De resulterende fragmenten van enkele nanometers groot hebben actieve oppervlakken. Ze vormen stevig hechtende, dichte coatings met een dikte tussen 1 µm 100 µm.
Eigenschappen
Dankzij hun dichte, fijne structuur hebben de coatings onmiddellijk na het opspuiten goede mechanische eigenschappen. Ze zijn extreem hard en hebben een goede chemische bestandheid. Het bleek echter dat de functionele eigenschappen van de coatings, met name de elektrische geleidbaarheid, zonder verdere stappen onvoldoende blijven. De wetenschappers in de stad van Wagner hebben echter manieren gevonden om de eigenschappen te optimaliseren.
Kristallijne structuren zijn van cruciaal belang. De heftige impact van de keramische deeltjes op de materialen veroorzaakt structurele defecten in de resulterende fragmenten. Dit heeft niet alleen invloed op de elektrische geleidbaarheid, maar ook op andere functionele eigenschappen. Deze defecten kunnen vrijwel volledig worden verholpen door nabehandeling met warmte, bekend als temperen.
De onderzoekers konden aantonen dat de daarvoor benodigde temperaturen over het algemeen veel lager zijn dan bij conventioneel sinteren. Het vermijden van deze hoge temperaturen maakt koude depositie op aerosolbasis zo aantrekkelijk. De technologie biedt daarom een hoog industrieel potentieel, vooral wanneer hoogwaardige keramische lagen vereist zijn.
Toepassingen
Het is aantrekkelijk voor industriële toepassingen. Welke keramische materialen worden opgespoten, hangt af van de beoogde technologische toepassingen. Di-elektrisch keramiek is geschikt voor condensatoren, elektrisch geleidende functionele keramiek heeft de voorkeur voor sensoren. Met yttrium gestabiliseerd zirkoniumoxide wordt gebruikt in brandstofcellen op hoge temperatuur. Zelfs lithium-ion batterijen kunnen ermee worden vervaardigd.
Het wetenschappelijke begrip van keramische structuren en hun functionele eigenschappen ontwikkeld aan de Universiteit van Bayreuth kan er voor zorgen dat hoogwaardige gecoate componenten in complexe systemen kunnen worden geïnstalleerd. Nieuwe technologieën, bijvoorbeeld op het gebied van energieopslag en -conversie of voor milieumonitoring, kunnen profiteren van toepassingen van op aërosol gebaseerde koude depositie.